一种低成本、环境友好型固沙剂及其制备方法与流程

本发明属于固沙技术领域，具体涉及一种低成本、环境友好型固沙剂及其制备方法。

背景技术：

韧皮纤维是纺织或复合材料的重要原料之一，这类原料获得高附加值应用的必要步骤是脱胶，以获得直径细、长径比值高的纤维。在此过程中，会产生大量的残胶废弃物。植物残胶的主要成分是多糖物质，包括半纤维素、果胶等，此外，残胶中还含有少量木质素、脂蜡质和水溶物。其中，半纤维素约占胶质总量的50%，由复杂的杂多糖分子组成。以苎麻为例，聚阿拉伯糖葡萄糖醛酸木糖、聚葡萄糖甘露糖和聚半乳糖葡萄糖甘露糖三种聚糖约占半纤维素总量的79%，其中聚半乳糖葡萄糖甘露糖的含量最高。这些富含杂多糖的脱胶废水直接排放会造成水体污染，需要经过严格的生物降解才能达到排放标准，因而增加了企业的生产成本。虽然分离纯化能够使这些杂多糖获得更高价值的应用，但加工成本远高于收益。因此，目前还没有很好的产业利用途径。

许多研究发现多糖物质在沙漠治理领域具有很好的应用潜力。土地荒漠化是当今世界面临的最大环境问题之一，中国也是世界上荒漠化最严重的国家之一。荒漠化治理的主要途径有3种:生物防治技术、物理或机械防治技术及化学防治技术。化学固沙就是在荒漠化土地表层施用有机或无机化学材料,以提高地表沙土的稳定性和保水性,为植物生长创造良好的水土条件。根据来源不同大致分为石油产品类、合成高分子类、生物质资源类。其中，生物质资源类中的植物源多糖物质就是理想的生物质固沙剂资源之一。杂多糖分子内的羰基/羟基易与沙粒中钙离子、镁离子结合，对沙粒具有很好的粘附力；利用杂多糖分子内及分子间形成的氢键可以构建一定结构强度的膜，从而具备固沙能力。此外，多糖物质都具有良好的吸水保水性，当降水发生时结壳层软化,雨水可渗入沙丘内部。软化的结壳层在阳光作用下又可重新固结,在一定程度上可防止水分的散失,促进干旱、半干旱地区植物的生长。与聚丙烯酰胺、沥青、聚丙烯酸类树脂或具芳环结构的木质素改性固沙剂相比，天然植物多糖类固沙剂具有突出的优势：环境友好。植物多糖易被微生物消化降解，降解产物易被植物根系吸收，在治沙同时不会给脆弱生态造成新的环境污染。

目前，有研究报道使用淀粉接枝丙烯酸、丙烯酰胺，亚麻籽水提醇沉法获得植物多糖，或对制浆废液中的木质素先进行羟甲基化改性，再与尿素反应制备固沙剂。这些操作都增加了固沙剂加工成本，且增加了环境污染。与上述方法相比，直接利用韧皮纤维脱胶过程的副产物，只需考虑运输成本问题，具有操作简单、成本低的优势。此外，韧皮作物残胶中还含有丰富的蛋白和微量元素，可以为沙生植物的生长提供必要的养分，这也是单一合成类高分子固沙剂无法相比的。

由于多糖大分子的分子量与沙胶结壳层硬度密切相关，固沙应用前的保存和运输过程需尽量避免多糖分子量下降。对微生物脱胶来说，需要在脱胶结束后尽快使脱胶菌灭活。然而，该过程成本太高。因此，可以考虑低成本的生物方法。利用厌氧菌发酵糖物质产生的酸性环境使脱胶菌的产酶活力降低，为固沙剂的保存和运输保证足够时间。

技术实现要素：

本发明的发明目的是为解决上述技术问题，提供一种低成本、操作简便、环境友好的生物质固沙剂及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种低成本、环境友好型固沙剂，选用韧皮纤维微生物脱胶后的残胶废液。

其中，所述韧皮纤维是指胞间层及细胞内胶质以多糖为主、适于微生物脱胶的植物纤维，包括苎麻、亚麻、汉麻、黄麻等。

其中，所述韧皮纤维微生物脱胶的加工步骤包括：装料、灭菌、接种、保温、脱胶、卸料、分装等。

其中，所述微生物脱胶残胶废液内含有多糖、蛋白质氨基酸、钾、钠、黄酮类物质。

优选的，所述多糖的主要成份为聚半乳糖葡萄糖甘露糖。

本发明还提供一种低成本、环境友好型固沙剂的制备方法，包括如下步骤：

将韧皮纤维、纯碱、硫酸铵、磷酸氢二钾和水按重量百分比120-140：5-8：2-4：1-3：1000-1500装入脱胶罐，升温至120℃，灭菌10-20min，降温至40℃后将脱胶菌接种至脱胶罐内，在40℃下通气发酵5-8h，分离出纤维，完成韧皮纤维微生物脱胶；韧皮纤维微生物脱胶过程中产生的微生物脱胶残胶废液a被收集后做固沙剂使用。

其中，所述的脱胶菌应符合以下特征：产高活性木聚糖酶、半乳糖酶、甘露糖酶及低活性纤维素酶；稳定性好且对土壤环境无危害。优选的，宜选择嗜碱性枯草芽孢杆菌抗葡萄糖代谢阻遏突变株ntt33-y6。

其中，所述的微生物脱胶残胶废液a做固沙剂直接使用时，先加水稀释至原体积的2-6倍，在200-500r/min转速下混合搅拌均匀后雾化喷洒，喷施量100-550g/m²。

其中，上述的低成本、环境友好型固沙剂的制备方法还包括韧皮纤维微生物脱胶之后的如下步骤：

（a）微生物脱胶后的辅助处理：将微生物脱胶后的韧皮纤维依次进行打纤、漂洗和水洗工序，在各工序中分离出纤维后，得到微生物脱胶残胶废液b；

（b）残胶废液的浓缩和罐装：将微生物脱胶残胶废液a和步骤（a）得到的微生物脱胶残胶废液b负压浓缩至一定比例后分别灌装至密闭容器，得到浓缩残胶废液c和浓缩残胶废液d；

（c）浓缩残胶废液接种厌氧菌：向步骤（b）得到的浓缩残胶废液c和浓缩残胶废液d中分别添加溶液质量2%-10%的糖类物质，接种厌氧菌，分别得到浓缩残胶废液c′和浓缩残胶废液d′，发酵3-7天至ph降至5，密封后在低于40℃温度下可保存不超1年时间，做固沙剂使用。

其中，步骤（b）中，负压浓缩时环境温度低于60℃，负压浓缩后的液体体积为浓缩前的1/10-1/6；

步骤（c）中，向所述浓缩残胶废液c和浓缩残胶废液d中添加的糖类物质包括蔗糖、葡萄糖、蜜糖；

步骤（c）中，在所述浓缩残胶废液c和浓缩残胶废液d中接种的厌氧菌包括乳酸菌，酵母菌或其复合菌种。

做固沙剂应用时，将浓缩残胶废液c′和浓缩残胶废液d′按一定比例混合，再加水稀释至原体积的12-60倍，在200-500r/min转速下混合搅拌均匀，雾化喷洒，喷施量100-550g/m²；

所述浓缩残胶废液c′和浓缩残胶废液d′混合后需满足混合后残胶废液中聚半乳糖葡萄糖甘露糖大分子的mw不低于12000。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明提供一种利用韧皮纤维微生物脱胶过程产生的残胶废弃物制作生物质固沙剂的方法，利用残胶内植物多糖大分子聚半乳糖葡萄糖甘露糖具有一定吸水保水能力，同时对沙粒粘附力强的特征，制备生物质固沙剂，具有固沙效果好、成本低、操作简单及环境友好等优点。

本发明采用残胶废弃物制作固沙剂，不需复杂的分离或提纯步骤，不添加任何化学试剂，只需浓缩/混合/稀释后就能使用，具有成本低的优势。同时，由于固沙剂中还含有各种蛋白质氨基酸、钾、钠及少量黄酮类物质，有利植物生长，具有很好的治沙效果，如：在不使用任何化学试剂前提下，本方案实施后固沙层硬度可达1.8-2.7kg/cm²，7日沙地保水率提高15倍，起沙风速超过20m/s；沙地土壤有机碳和全氮含量分别提高580%和470%以上，1年后植被盖度达到28-33%。

此外，本发明采用接种厌氧菌的形式制造弱酸性环境，抑制脱胶菌的产酶活力，为固沙剂的长时间运输和保存提供了机会，如：在不添加化学试剂的情况下，利用酵母菌发酵产生的厌氧环境可使残胶多糖分子量在1年内不出现明显下降，解决了多糖固沙剂长期保存和运输的难题。

附图说明

图1为本发明中固沙剂的制备及使用流程图；

图2为本发明中残胶多糖中聚半乳糖葡萄糖甘露糖大分子的mw与固沙层硬度的关系图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种低成本、环境友好型固沙剂，选用韧皮纤维微生物脱胶后的残胶废液。

其中，所述韧皮纤维是指胞间层及细胞内胶质以多糖为主、适合微生物脱胶的植物纤维，包括苎麻、亚麻、汉麻、黄麻。

其中，所述的韧皮纤维微生物脱胶的加工步骤包括：装料、灭菌、接种、保温、脱胶、卸料、分装。

其中，所述微生物脱胶后的残胶废液内含有多糖、蛋白质氨基酸、钾、钠、黄酮类物质。所述多糖的主要成份为聚半乳糖葡萄糖甘露糖。

韧皮纤维脱胶产生的多糖属于加工过程中的废弃物，不经提取、分离和提纯就可直接应用，具成本优势。韧皮纤维的脱胶方法有多种，包括物理脱胶、化学脱胶及微生物脱胶等。与其它脱胶方法获得的残胶相比，微生物脱胶法获得的残胶废弃物具有突出的应用优势。体现在：（1）脱胶过程不使用化学试剂，后续处理步骤简单。由于借助芽孢杆菌产生的多种酶软化、松解、去除胶质，不使用化学试剂，残胶废弃物中没有大量酸、碱、氧化剂或表面活性剂物质存在，后续制备固沙剂时不需要增加步骤去除这些化学物质。（2）残胶内多糖物质的分子量高，做固沙剂使用效果好。一般认为高分子材料的分子量大小对固沙效果影响很大。分子量越高，脱水后的成膜强度及耐气候性也越好。由于这一原因，用制浆废液中的木质素制作固沙剂时需先经过交联缩合反应。本发明中使用的枯草芽孢杆菌微生物脱胶在温和条件下实施，对多糖分子量的损害较小。脱胶残液在室温带菌条件下放置1个月，测得聚半乳糖葡萄糖甘露糖mw仍高于12000，能满足固沙剂使用要求。多糖大分子的分子量与其成膜性和固沙层硬度密切相关，关系图如图1所示。而碱、酸、氧化剂等脱胶方法实施后，脱胶废水中多糖的mw迅速降至3000-6000左右，做固沙剂应用时效果较差。（3）易根据固沙应用需求进行复配。沙漠土壤环境不同，应用需求就有差异，这种需求主要体现在固沙层硬度和抗风蚀能力的变化。一般认为：高分子量的物质成膜性好，对固沙有利，而低分子量多糖易降解，被沙生植物根系吸收，可促进植物生长。因此，可以通过残胶分子量的组合满足不同环境的固沙应用需求。以苎麻为例，微生物脱胶全过程可以简单地分成脱胶和辅助处理两个部分，辅助处理部分包括打纤、漂白、酸洗、水洗、脱水、给油和烘干等工序。后续辅助处理过程也会产生残胶废水，但是废水多糖的mw比微生物脱胶部分的多糖低。因此，可设计不同阶段的残胶多糖组合，满足不同环境的需求。如图1所示，本发明提供的一种低成本、环境友好型固沙剂的制备方法，包括如下步骤：

将韧皮纤维、纯碱、硫酸铵、磷酸氢二钾和水按重量百分比140:6:2:1:1200装入脱胶罐，升温至120℃，灭菌10-20min，降温至40℃后将脱胶菌接种至脱胶罐内，在40℃下通气发酵5-8h，分离出纤维，完成韧皮纤维微生物脱胶；韧皮纤维微生物脱胶过程中产生的到微生物脱胶残胶废液a被收集后做固沙剂使用。

使用的脱胶菌应符合以下特征：产高活性木聚糖酶、半乳糖酶、甘露糖酶及低活性纤维素酶；稳定性好且对土壤环境无危害。优选的，宜选择嗜碱性枯草芽孢杆菌抗葡萄糖代谢阻遏突变株ntt33-y6。

所述的微生物脱胶残胶废液a做固沙剂直接使用时，先加水稀释至原体积的2-6倍，在200-500r/min转速下混合搅拌均匀后雾化喷洒，喷施量100-550g/m²。

上述的低成本、环境友好型固沙剂的制备方法还包括韧皮纤维微生物脱胶之后的如下步骤：

（a）微生物脱胶后的辅助处理：将微生物脱胶后的韧皮纤维依次进行打纤、漂洗和水洗工序，在各工序中分离出纤维后，得到微生物脱胶残胶废液b；

（b）残胶废液的浓缩和罐装：将微生物脱胶残胶废液a和步骤（a）得到的微生物脱胶残胶废液b负压浓缩至一定比例后分别灌装至密闭容器，得到浓缩残胶废液c和浓缩残胶废液d；

（c）浓缩残胶废液接种厌氧菌：向步骤（b）得到的浓缩残胶废液c和浓缩残胶废液d中分别添加溶液质量2%-10%的糖类物质，接种厌氧菌，分别得到浓缩残胶废液c′和浓缩残胶废液d′，发酵3-7天至ph降至5，密封后在低于40℃温度下可保存不超1年时间，做固沙剂使用。

其中，步骤（b）中，负压浓缩时环境温度低于60℃，负压浓缩后的液体体积为浓缩前的1/10-1/6。步骤（c）中，向所述浓缩残胶废液c和浓缩残胶废液d中添加的糖类物质包括蔗糖、葡萄糖、蜜糖。步骤（c）中，在所述浓缩残胶废液c和浓缩残胶废液d中接种的厌氧菌包括乳酸菌，酵母菌或其复合菌种。

做固沙剂使用时，将浓缩残胶废液c′和浓缩残胶废液d′按一定比例混合，再加水稀释至原体积的12-60倍，在200-500r/min转速下混合搅拌均匀，雾化喷洒，喷施量100-550g/m²。所述浓缩残胶废液c′和浓缩残胶废液d′混合后需满足混合后残胶废液中聚半乳糖葡萄糖甘露糖大分子的mw不低于12000。

本发明采用韧皮纤维微生物脱胶过程中的残胶废弃物制作固沙剂，其理论依据为：

植物多糖比目前常用的合成高分子固沙剂更环保，固沙效果也更好。天然植物杂多糖分子含有很多亲水基团，具有良好的亲水保水性；其分子内的羰基/羟基易与沙粒中的钙离子、镁离子结合，对沙粒具有很好的粘附力；失水后，多糖分子内及分子间形成的氢键还可以赋予多糖膜较好的结构强度，满足固沙剂的应用需求。此外，植物多糖易被微生物降解，不会对脆弱的沙漠生态造成负担。因此，采用植物多糖固沙剂比合成高分子材料，如聚丙烯酰胺、沥青、聚丙烯酸类树脂，或木质素缩合型高分子材料具有更好的应用效果及更明显的环保优势。

韧皮纤维脱胶后的残胶多糖成本低、应用简单、固沙效果好。虽然文献报道淀粉改性高分子、羧甲基纤维素钠或亚麻籽胶具有一定的固沙能力，但生产过程需要增加提取/改性步骤，或消耗大量粮食物资，不经济环保。本发明利用纤维脱胶产生的废弃物，经简单浓缩/稀释后就可以做固沙剂，成本低，变废为宝。此外，韧皮作物残胶中还含有丰富的蛋白和微量元素，可以为沙生植物的生长提供必要的养分。以苎麻为例，脱胶后的残胶废弃物中含各种蛋白质氨基酸0.4%，钾1832mg/l，钠2697mg/l及少量黄酮类物质，这些物质为改良流动沙地土壤理化性质发挥了作用，有利于沙生植物的生长。

与化学脱胶方法相比，微生物脱胶法获得的残胶更适合固沙应用。化学脱胶后的废弃物中含有大量酸、碱或氧化剂，需要进一步提纯处理才能做固沙剂应用，增加了成本。此外，化学脱胶过程会造成残胶多糖分子量剧烈下降，影响固沙效果。在本发明中，选择产高活性木聚糖素酶、半乳糖酶、甘露糖酶及低活性纤维素酶且对土壤环境无危害的嗜碱性枯草芽孢杆菌进行微生物脱胶易获得分子量在12000以上的残胶多糖，可以满足固沙需要。

厌氧菌发酵后可抑制杂多糖残胶的降解，具有成本低、无污染的优点，能解决残胶长期保存和运输的问题。由于残胶分子量对沙胶结壳层硬度有直接的影响，保存和运输过程需要关注分子量下降的问题。通常分子量越高，残胶多糖的成膜性越好，对沙粒的粘附力越强，沙胶结壳层硬度也越大（见图2）。本发明中采用厌氧菌发酵产生的弱酸性环境抑制浓缩残胶中芽孢杆菌的产酶活力，保证残胶多糖分子量在1年时间内不发生显著下降，解决了长期存储和运输的难题。此方法成本低，不使用任何化学试剂，经过简单稀释后就可做固沙剂喷洒。多糖降解产物易被植物吸收，对环境友好。

总之，与其它固沙剂及制备方法相比，本发明使用方法的突出优势体现在：固沙效果好、不使用化学试剂、操作加单、成本低及对环境友好。

下面结合几个具体实施例，进一步阐述本发明的技术方案。

实施例1

将苎麻原麻、纯碱、硫酸铵、磷酸氢二钾和水按重量百分比140：6：2：1：1200装入脱胶罐；升温至120℃，灭菌20min；降温至40℃后将嗜碱性枯草芽孢杆菌接种至脱胶罐，在40℃下通气发酵8h，得到微生物脱胶残胶废液a1，罐装至密闭容器。做固沙剂直接应用时，将微生物脱胶残胶废液a1加水稀释至原体积3倍，并在200r/min转速下搅拌均匀，在沙地表面雾化喷洒，喷施量200g/m²。固沙应用效果见表1。

注：实验地点为内蒙科尔沁地区荒漠化沙地。苎麻化学脱胶固沙剂应用前已调节ph至中性；亚麻籽胶采用水提醇沉法获得，后续浓缩/稀释/喷洒步骤与苎麻微生物脱胶操作相同。保水率的测试方法是喷施固沙剂7日后，测定土壤水分含量，参考未实施对照样计算保水率提高倍数。抗风蚀能力用起沙风速评价，将试样放入风道后逐渐升高风速,当固沙层有砂粒滚动时的风速即为该样品的起沙风速，单位m·s^-1。植被盖度数据为方案实施后1年后，采用样方法进行测定。

结论：利用本发明提供方法制备的固沙剂固沙效果明显，生产过程不使用化学试剂、成本低且对环境友好。

实施例2

将苎麻原麻、纯碱、硫酸铵、磷酸氢二钾和水按重量百分比140：6：2：1：1200装入脱胶罐；升温至120℃，灭菌20min；降温至40℃后将嗜碱性枯草芽孢杆菌接种至脱胶罐，在40℃下通气发酵8h得到残胶废液，在室温0.09mpa负压浓缩至原体积1/6，得到浓缩残胶废液a2，罐装至密闭容器。将微生物脱胶后的韧皮纤维先后经过打纤、漂洗和水洗等步骤，得到漂洗阶段残胶废液，在室温0.09mpa负压浓缩至原体积1/10，得到浓缩残胶废液b2，罐装至密闭容器。向浓缩残胶废液a2和浓缩残胶废液b2中分别添加10%的蔗糖，接种酵母菌后发酵3-7天直至ph=5，得到浓缩残胶废液a3和浓缩残胶废液b3，在30℃环境下保存6个月后，做固沙剂使用：将浓缩残胶废液a3和浓缩残胶废液b3按9：1体积比混合，加水稀释至原体积12倍后在400r/min转速下搅拌均匀。作固沙剂应用时，在沙地表面雾化喷洒，喷施量350g/m²。固沙应用效果见表1。

注：实验地点为内蒙科尔沁地区荒漠化沙地。苎麻化学脱胶固沙剂应用前已调节ph至中性；亚麻籽胶采用水提醇沉法获得，后续浓缩/稀释/喷洒步骤与苎麻微生物脱胶操作相同。保水率的测试方法是喷施固沙剂7日后，测定土壤水分含量，参考未实施对照样计算保水率提高倍数。抗风蚀能力用起沙风速评价，将试样放入风道后逐渐升高风速,当固沙层有砂粒滚动时的风速即为该样品的起沙风速，单位m·s^-1。植被盖度数据为方案实施后1年后，采用样方法进行测定。

结论：利用本发明提供方法制备的固沙剂固沙效果显著优于其它植物胶，可长期运输保存，生产过程不使用化学试剂、成本低且对环境友好。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述生产方法的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。